四家子跌水工程設計

陸 思（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

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四家子跌水工程設計

陸 思
（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

四家子河段河道順直，上游自然水面寬闊，由于建筑物建成后形成的回水區水面連續，很適合修建跌水、護岸及綠化濕地建設。這樣能夠有效解決下游防沖問題，同時也節省了工程投資。本文對跌水工程主體布設、下游岸坡防護及設計計算進行了分析，建成的跌水工程所形成生態濕地，能夠充分體現自然、生態、親水特點。

跌水工程；設計；地質；分析

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.033

1 地質概況

四家子跌水工程位于遼寧沈陽蒲河生態廊道建設的上游段，棋盤山風景區內。閘址位于四家子社區地形測量樁號1 +840m處，河床順直，地勢平坦，屬沖積平原地貌。閘址區為第四系沖積地層，其巖性，從勘探孔揭露的深度范圍內由上至下描述如下。

（1）河床巖性表層為耕土：黑褐色，稍濕，松散，主要成份為粘性土，含少量植物根系，層厚0.5m，層底標高110.28～110.08m。

（2）礫砂：黃褐色，稍濕～濕，松散，級配良好，顆粒呈次圓形，長石、石英質，含少量粘粒，層厚0.8m，層底標高109.48m。

（3）淤泥質粉質粘土：黃褐色，灰色，流塑，絮狀結構，略有光澤，干強度、韌性低，無搖震反應，層厚1.3～1.5m，層底標高108.88～108.58m。

（4）圓礫：級配良好，松散～稍密，顆粒呈次圓形，由石英巖及花崗巖等碎塊組成，最大顆粒110mm，顆粒呈強—中風化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，層厚1.4～1.9m，層底標高107.86～106.89m。

（5）碎石：級配良好，松散～中密，顆粒呈棱角形，由石英及花崗等碎塊組成，最大顆粒120mm，顆粒呈強—中風化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，層厚1.5～2.6m，層底標高105.58～105.26m。

（6）強風化花崗巖：黃白色，節理裂隙強烈發育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，中粒結構，塊狀構造，主要礦物成份為鉀長石、石英及云母等，層厚4.7～5.8m，層底標高100.78～99.46m。

本次勘察期間，在勘察孔揭露的深度范圍內，見有主要接受大氣降水補給的上層滯水，其初見水位為1.70～2.10m；穩定水位為1.00～1.20m。

2 跌水工程主體結構布置

四家子跌水工程項目建設主要內容：倒伏閘門式跌水，凈寬20m（垂直水流方向），閘門擋水高度1.2m，主體結構包括上游鋪蓋、閘室底板及邊墩、消力池、海漫、防沖槽、兩岸翼墻及閘址下游（50m）岸坡防護工程。

四家子跌水位于四家子社區樁號1 +840（連心橋0 +000樁號）處，垂直該河段布置。

跌水進口凈寬20m（垂直水流方向），出口凈寬23.4m，設計擋水位107.20m，閘門擋水高1.20m，底板頂高程106.00m。跌水結構主要由閘室，上游鋪蓋、下游消力池、石籠海漫、防沖槽及兩岸鋼筋混凝土翼墻等組成。

上游防沖鋪蓋采用格賓石籠結構，順水流方向長5.0m，鋪蓋頂高程106.00m，厚0.50m，兩側翼墻高程由108.6漸變至107.80m。

閘門跌水為液壓倒伏式鋼閘門結構，閘室底板為鋼筋混凝土結構，底板頂高程為106.0m，順水流方向長13.81m，前底板厚0.5m，閘門錨固段厚1.0m。兩側邊墩頂高程為108.6m。

下游消力池為鋼筋混凝土結構，順水流方向總長6.6m，其中池底水平段6.0m，尾坎段0.6m。消力池底板頂高程105.01m，厚0.50m，兩側翼墻高程由108.6漸變至107.80m。

海漫采用格賓石籠結構，順水流方向長15.0m，海漫頂高程106.00m，厚0.50m，下鋪設反濾土工布；下游防沖槽為拋石結構，梯形斷面，上頂寬4.5m，深1.00m，下底寬1.00m。

鋪蓋、閘底板、消力池部分左右岸灘面均采用0.3m厚石籠網墊進行平面防護，防護寬度15.0m。

3 跌水下游岸坡防護

跌水工程下游岸坡防護左右岸長度均為50m，防護結構為0.3m厚石籠網護墊，上鋪0.1m種植土，并進行植物防護，設計邊坡坡度1∶2.5。

4 設計計算

4.1 閘址斷面設計水位推求

由推求得：二十年一遇洪水流量為313.9m3/ s，設計邊坡1∶2.5（m=2.5），糙率n =0.025，設計主槽河道底寬20m，左岸灘地過水寬度15m，右岸灘地過水寬度15m，河道比降1 /500。計算能滿足二十年一遇設計流量的水深，即求出閘址處二十年一遇設計水位。經試算，求出閘址處二十年一遇設計水位為109.4m。

4.2 消能防沖計算

消能防沖計算工況為下游初始狀態無水，設上游每隔0.3m一個翻板門開啟高度，進行消能防沖計算。

（1）消力池深度計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B，消力池深度可按下式計算：

式中：

d—消力池深度，m；

h"c—躍后水深，m；

hc—收縮水深，m；

T0—由消力池底板頂面算起的總勢能，m；

ΔZ—出池落差，m；

h's—出池河床水深，m。

σ0—水躍淹沒系數，可采用1.05～1.10，取σ0=1.05；

ψ—孔流流量系數，可采用0.95～1.0，取ψ=0.95；

b1—消力池首端寬度，m；

b2—消力池末端寬度，m；

α—水流動能校正系數，可采用1.0～1.05，取α=1.05；

q—過閘單寬流量（m2/s），q =Q/B0。

經計算，各工況消力池深度最深需0.42m，本次設計消力池池深根據閘門底板構造，取0.99m。

（2）消力池長度計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B，消力池長度按下式計算：

式中：

β—水躍長度校正系數，可采用0.7～0.8，本次設計取0.75；

Lsj—消力池長度，m；

Ls—消力池傾斜段水平投影長度，為0.0；

Lj—水躍長度，m。

經計算，各工況消力池長度最長需5.51m，本次設計消力池池長取6.00m。

（3）消力池底板厚度計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B，消力池厚度按抗沖公式進行計算，之后對計算結果按抗浮公式進行驗算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K1—消力池底板計算系數，可采用0.15～0.20，取0.15；

q—出閘單寬流量，m3/s；

△H—上下游水位差，m。

按消力池底板抗浮公式對以上計算結果（抗沖計算）進行驗算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K2—消力池底板安全系數，可采用1.10～1.30，取1.20；

U—作用在消力池底板底面的揚壓力，kPa；

W—作用在消力池底板頂面的水重，kPa；

Pm—作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；

γb—消力池底板的飽和重度，kN/m3。

按消力池抗沖要求進行計算，各工況消力池底板厚度要求不小于0.42m，本次設計消力池底板厚取0.50m。按消力池抗浮要求進行驗算，計算得各工況消力池底板抗浮厚度要求不小于0.29m，消力池底板厚度0.50m滿足要求。

（4）海漫長度計算

根據《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B，海漫長度按下式計算：

式中：

Lp—海漫長度，m；

Ks—海漫長度計算系數，可由《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B表B.2.1查得，本次設計根據河床土質情況取11；

qs—消力池末端單寬流量，m3/s。

經計算，各工況海漫長度最長需13.7m，本次設計海漫長度取15m。

4.3 堰基滲透穩定計算

本次滲流計算采用《水閘設計規范》推薦的改進阻力系數法。計算工況為上下游水頭差最大的不利工況，即上游水位至堰頂高程（107.2m），下游無水（106.0m），上下游水頭差1.20m。具體過程采用北京理正軟件設計研究院開發的《理正滲流分析軟件》完成。

地基的有效深度按照揚壓力分布曲線、滲流量、出逸坡降值等不在變化時的原則確定，其有效深度按下式計算：

式中：

S0—地下輪廓線的垂直投影長度，m；

Te—水閘的地基有效深度，m；

L0—地下輪廓線的水平投影長度，m。

進、出口段的阻力系數按下式計算：

內部垂直段的阻力系數按下式計算：

水平段的阻力系數按下式計算：

進出口水頭損失修正按下式計算：

滲流出口段：采用公式

水平段：采用公式

跌水堰體及消力池地基為礫砂及圓礫，根據規范查表得［J0］=0.22，［J水平］=0.50。

經計算，堰基水平段滲透比降最大為0.18，出口滲透比降為0.14。堰基滲透穩定滿足要求。

4.4 堰體穩定計算

作用在堰體上的荷載主要有結構自重、水重、水壓力、浮托力、滲透揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、風壓力等。

堰體穩定計算具體過程由《理正結構計算軟件》完成，計算公式如下：

（1）堰體基底應力按下式計算：

式中：

∑G—作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

A—堰體基底面積，m2；

e—偏心矩。

∑M—各力對底板前趾的力矩。

η—基底應力分布不均勻系數。

各工況堰體基底應力計算成果見表1。

表1 堰體基底應力計算成果表

式中：

Kc—沿堰體底面的抗滑穩定安全系數；

f—堰體底面與地基之間的摩擦系數，取0.23；

∑G—作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

∑H—作用在堰體上的全部水平荷載，kN。

各工況堰體抗滑穩定計算結果見表2。

經計算，各工況堰體穩定均滿足規范要求。

（2）堰體抗滑穩定按下式計算：

表2 堰體抗滑穩定計算成果表

經計算，各工況堰體穩定均滿足規范要求。

5 結語

在跌水工程設計中，遵循上述規劃設計原則和計算分析方法，采用既經濟防沖效果又好的材料，并根據工程的地理位置，采取行之有效的防凍措施，建成的跌水工程項目達到美觀實用的效果。

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2015-04-15

陸 思（1978年—），女，工程師。